溶解氧測定儀自動校準裝置的研制

楊銀銀，丁 斌，何飛飛

（南通市計量檢定測試所，江蘇南通226000）

0 引言

溶解氧濃度是衡量水體質量的重要指標，對環(huán)境保護、水資源配置、水產養(yǎng)殖等領域具有重要意義，也是水工環(huán)文地質調查中水質測量的必測指標，因此實現(xiàn)水中溶解氧的準確測量即保證溶解氧測定儀的準確度是十分必要的［1］。溶解氧測定儀主要有覆膜電極溶解氧測定儀和熒光法溶解氧測定儀［2］。

國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局最新頒布的JJG291—2018《溶解氧測定儀檢定規(guī)程》，規(guī)程中溶解氧測定儀的檢定條件包括：恒溫水浴環(huán)境的保證、無氧水的制備、飽和溶氧水的制備以及大氣壓數(shù)值的測量等。溶解氧濃度的最終測定結果與檢定時的溫度、大氣壓以及水中的含鹽量有關［3］。目前，在實際溶解氧設備檢定過程中，檢定員需要按規(guī)程分別進行上述操作，且最終檢定結果需通過查表計算后獲取，整個檢定流程較為復雜且效率低。為解決傳統(tǒng)溶解氧測定儀校準效率低、穩(wěn)定性差和準確度低的問題，本文設計了一套通用型多功能溶解氧測試儀校準裝置。

1 裝置整體構造示意圖及技術指標

1.1 溶解氧測定儀自動校準裝置整體構造

溶解氧測定儀自動校準裝置整體構造示意圖如圖1所示。

該套裝置在硬件上不僅能夠通過預設條件來滿足特定的檢定環(huán)境要求，同時可制備飽和溶氧水等標準水溶液，且設備內置大氣壓監(jiān)測裝置，同步完成大氣壓數(shù)據(jù)的監(jiān)測和記錄。另外，在軟件上設計數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)分析和計算模塊等，利用系統(tǒng)的優(yōu)勢，對檢定過程中多次收集的所有數(shù)據(jù)進行分析，完成異常數(shù)據(jù)的剔除、誤差分析、趨勢分析等，并通過提前導入系統(tǒng)內的《氧在不同水溫、大氣壓的水中飽和濃度值表》來完成最終檢定結果的輸出，保證檢定結果的準確性。且該檢定裝置能夠同時滿足電化學探頭法和熒光法溶解氧測定儀的檢定要求。

圖1 整體構造示意

1.2 技術指標

（1）制備的飽和溶解氧質量濃度誤差不超過±0.1 mg/L。（2）恒溫水浴溫度范圍：0～80 ℃，溫度波動不大于0.01 ℃，溫度均勻度不大于0.01 ℃。（3）內置氣壓表最大誤差不超過±2.5 hPa。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 恒溫水浴裝置

以恒溫水浴裝置為主標準器，溫控系統(tǒng)采用高精度數(shù)字溫控儀，PID 控制，顯示分辨率0.001 ℃，升降溫速率快，穩(wěn)定時間短，方便溶解氧測定儀檢定環(huán)境10 ℃，20 ℃，30 ℃的快速切換，大大提高了檢測效率?？販叵到y(tǒng)預留485 通信接口，直接與軟件系統(tǒng)連接?？販貍鞲衅鬟x用精密AA級四線制Pt100鉑電阻。

2.2 數(shù)字式大氣壓力計

配備的大氣壓力計選用數(shù)字型大氣壓力計，監(jiān)測大氣壓的同時可監(jiān)測環(huán)境的溫濕度，主標準器預留大氣壓力表的安裝位置及數(shù)據(jù)傳輸接口。監(jiān)測的大氣壓結果用于標準飽和氧的計算，環(huán)境溫濕度值可直接傳輸至軟件系統(tǒng)用于記錄環(huán)境的原始溫濕度。

2.3 鼓泡裝置

槽體工作區(qū)配高溶氧鼓泡裝置，采用納米氣盤打出的氣泡，更多氣體與水面積接觸更廣，使得溶氧量更大，高密度氣孔霧化效果，出泡均勻細膩，溶氧量高。平面設計冒泡面更大，氣泡大小可以調節(jié)。

3 軟件系統(tǒng)

通用型多功能溶解氧測試儀校準軟件系統(tǒng)通過溫度控制模塊控制恒溫水槽達到指定溫度，然后通過數(shù)據(jù)采集模塊獲取當前溫度標準值、大氣壓標準值，多次采集，并對多次采集的數(shù)據(jù)進行異常數(shù)據(jù)的剔除、誤差分析、趨勢分析等，并通過提前導入系統(tǒng)內的《氧在不同水溫、大氣壓的水中飽和濃度值表》來完成最終檢定結果的輸出；通過對視頻傳感器采集到的待檢設備顯示屏上的圖像數(shù)據(jù)進行算法分析，獲取待檢設備當前的溶解氧和溫度數(shù)據(jù)得到測試值；并將溶解氧、溫度、大氣壓的標準值和測試值以及其他相關信息上傳至基石系統(tǒng)，通過儀器連接模塊生成原始記錄。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括大氣壓傳感器、溫度傳感器以及視頻傳感器的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳回服務器。其中大氣壓傳感器和溫度傳感器數(shù)據(jù)根據(jù)硬件供應商提供的RS232通信協(xié)議進行采集。

被檢溶解氧測定儀的顯示結果，包括溶解氧濃度值和溫度值，視頻傳感器通過UVC（全稱為：USB video class 或USB video device class）協(xié)議進行圖像數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

3.2 儀表識別算法

本算法采用基于視頻的數(shù)字儀表示數(shù)識別算法，包括圖像采集和預處理模塊、數(shù)字區(qū)域定位于傾斜校正模塊、數(shù)字字符分割與歸一化模塊、數(shù)字字符識別模塊以及識別結果輸出模塊。

基于視頻的數(shù)字儀表示數(shù)識別算法中視頻圖像的采集是算法識別的第一步，本算法采用USB高清攝像機采集儀表圖像，圖像分辨率1 280×1 024，幀率為15幀/秒。采集到原始視頻幀需要先做圖像預處理采集進行后期的識別。圖像預處理之后，圖像數(shù)據(jù)經過灰度化、均衡化、去噪和二值化，最終得到數(shù)字儀表示數(shù)的二值化圖像，在識別之前還需要定位數(shù)字儀表示數(shù)區(qū)域，并對圖像進行矯正處理。

根據(jù)前面的處理，已經獲得了精確定位并矯正后的數(shù)字儀表示數(shù)區(qū)域的二值化圖像。接下來就要對數(shù)字字符進行分割和歸一化處理，以方便后期進行特征提取和識別。

數(shù)字儀表示數(shù)圖像的識別包括兩大部分：第一部分是儀表圖像的特征提取，即對歸一化數(shù)字字符提取有效的特征；第二部分是圖像的識別，利用提取到的數(shù)字字符特征，采用相應的字符識別系統(tǒng)，對圖像進行識別。圖像采集算法流程如圖3所示。

圖3 圖像采集算法流程

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

在恒溫水槽達到特定檢定環(huán)境時，對檢定過程中多次采集的所有數(shù)據(jù)進行分析，完成異常數(shù)據(jù)的剔除、誤差分析、趨勢分析以及待檢設備數(shù)字儀表識別等，并通過提前導入系統(tǒng)內的《氧在不同水溫、大氣壓的水中飽和濃度值表》，該表由JJG291—2018《溶解氧測定儀檢定規(guī)程》附錄C 提供，表中未列出的水中飽和氧濃度通過內插法計算得到［4］，并完成最終檢定結果的輸出。

3.4 溫度控制模塊

通過溫度調節(jié)器廠家提供的RS485協(xié)議，系統(tǒng)可以控制恒溫水槽達到指定的溫度，滿足特定的檢定環(huán)境要求。

3.5 儀器連接模塊

數(shù)據(jù)分析得到結果以及采集到的環(huán)境溫濕度值，通過儀器連接模塊接入基石系統(tǒng)，生成原始記錄，并最終生成證書。

3.6 軟件操作界面

軟件操作界面如圖4所示。

4 結語

本文針對傳統(tǒng)溶解氧測定儀校準效率低、穩(wěn)定性差和準確度低的問題，設計了一套溶解氧測定儀自動校準裝置。恒溫水浴裝置溫度的升降溫速率、穩(wěn)定性、均勻性極大地提高了校驗過程的效率和穩(wěn)定性。軟件系統(tǒng)的自動控溫、自動采集數(shù)據(jù)、自動計算結果，實現(xiàn)了檢測過程的自動化，且該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)與本所基石系統(tǒng)的無縫對接，實現(xiàn)原始記錄和證書的自動生成，真正實現(xiàn)檢測過程的優(yōu)化。

圖4 軟件操作界面